7.3 B How Corn is Processed to Make Ethanol
7.3 B How Corn is Processed to Make Ethanol
The process of maintain into ethanol is a multistep process. El primer paso es moler el maíz. Se puede hacer mediante fresado en seco o fresado en húmedo. Las figuras 7.10 A y 7.10 b muestran los pasos del proceso para cada molienda en húmedo y en seco. Para la molienda húmeda, los granos de maíz se descomponen en almidón, fibra, germen de maíz y proteína calentándose en la solución de ácido sulfuroso durante 2 días., El almidón se separa y puede producir etanol, jarabe de maíz o almidón de grado alimenticio. Como se observa en la figura 7.10 a, el proceso de molienda húmeda también produce productos adicionales, incluidos piensos, aceite de maíz, harina de gluten y alimentos con gluten. El fresado en seco es un proceso más simple que el fresado en húmedo, pero también produce menos productos. Los principales productos de la molienda en seco son etanol, CO2 y grano de destilador seco con solubles (DDGS). Vamos a ir a través de cada uno de los pasos en el proceso de molienda en seco. Los cinco pasos son: 1) molienda, 2) cocción y licuefacción, 3) sacarificación, 4) fermentación y 5) destilación.,
esquema del proceso de molienda en húmedo
- El primer maíz se empapa. Al remojar el maíz, los productos se separan en:
- almidón / Gluten
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El almidón / Gluten pasa por un paso más de separación y el almidón se combina con todos los demás almidón.,L>
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secado para hacer almidones
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fermentación para hacer etanol químico
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refinación de jarabe para hacer jarabe de maíz, dextrosa y jarabe de maíz de alta fructosa
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- almidón / Gluten
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germen/fibra de maíz pasan por cribado para producir
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pasa por la refinación de petróleo para convertirse en aceite de maíz
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fibra
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se convierte en producto de alimentación, alimento húmedo
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el primer maíz es molido, cocido, licuado y sacarificado. A partir de la sacarificación, pasa por la fermentación que produce CO2. Después de la fermentación, pasa a la destilación que produce etanol. Luego se centrifuga y se evapora, lo que produce granos destiladores con solubles.
molienda
para la molienda en seco de maíz, se utiliza un molino de martillos o molino de rodillos para hacer la molienda. Gráfico 7,11 es un esquema de un molino de martillos con maíz que se pone a través de él. Los martillos están unidos a varillas que giran en un rotor. A medida que el rotor gira, la alimentación (maíz en este caso) se golpea contra la pared. Una pantalla en la parte inferior permite que las partículas que son lo suficientemente pequeñas como para salir de la unidad y mantener en las partículas más grandes para seguir siendo martillado hasta que todo el material está en el rango de tamaño correcto. La molienda ayuda a romper los duros recubrimientos externos del núcleo de maíz, lo que aumentará el área de superficie del almidón., Una vez que el maíz se descompone, se mezcla con agua caliente para formar un puré o puré.
cocción y licuefacción
Una vez hecha la mezcla de maíz (puré), pasa por cocción y licuefacción. La etapa de cocción también se llama gelatinización. El agua interactúa con los gránulos de almidón en el maíz cuando la temperatura es > 60°C y forma una suspensión viscosa. ¿Alguna vez has cocinado con maicena para hacer salsa espesa?, La figura 7.12 muestra una imagen de almidón mezclado con agua que se vierte en una salsa calentada mientras se cocina. Se espesará con calor.
El Paso de licuefacción es en realidad hidrólisis parcial que reduce la viscosidad. Esencialmente está dividiendo las cadenas de almidón más largas en cadenas más pequeñas., Una forma de medir esto es mirar los equivalentes de dextrosa (DE), o una medida de la cantidad de azúcares reductores presentes en un producto de azúcar, en relación con la glucosa, expresada como un porcentaje en base seca. La dextrosa también se conoce como glucosa, y el equivalente de dextrosa es el número de enlaces escindidos en comparación con el número original de enlaces., La ecuación es:
ecuación 1: 100× Número de enlaces escindidos número de enlaces originales
glucosa pura (dextrosa): DE = 100
maltosa: de = 50
almidón: de = 0
dextrinas: de = 1 a 13
Las dextrinas son un grupo de carbohidratos de bajo peso molecular producidos por hidrólisis de almidón o glucógeno. Las dextrinas son mezclas de polímeros de unidades d-glucosa unidas por enlaces glucosídicos α (1,4) o α (1,6). Las dextrinas se utilizan en pegamentos y pueden ser un potenciador de la nitidez para el procesamiento de alimentos.
maltodextrina: de = 3 a 20
La maltodextrina se añade a la cerveza.,
recuerde que la hidrólisis del almidón es donde el agua reacciona con el azúcar para descomponer el azúcar y formar glucosa. El agua se rompe en los iones H + y OH-para interactuar con el almidón a medida que se descompone.
para lograr la licuefacción, la reacción debe tener lugar bajo ciertas condiciones. El pH del puré se mantiene en el rango de 5.9-6.2, y el amoníaco y el ácido sulfúrico se agregan al tanque para mantener el pH., Aproximadamente un tercio del tipo requerido de enzima, α-amilasa, se puede agregar al puré antes de la cocción por chorro (2-7 minutos a 105-120°C) para mejorar la fluidez del puré. La cocción a chorro sirve como paso de esterilización para evitar la contaminación bacteriana durante el paso de fermentación posterior. En esta etapa, se producen dextrinas más cortas, pero aún no son glucosa.
Se pueden utilizar tres tipos de procesos para la licuefacción. La figura 7.13 muestra las tres opciones. El proceso 1 es donde se agrega La α-amilasa y el material se incuba a 85-95°C., El proceso 2 tiene el puré en la cocina de chorro a 105-120ºC durante 2-7 minutos, luego fluye a un tanque flash a 90°C. La α-amilasa se agrega tres horas más tarde. La tercera opción, el proceso 3, agrega La α-amilasa, los calores en la cocina de chorro a 150°C, seguido por el flujo al tanque de flash a 90°C y la adición de Más α-amilasa.
tres procesos
Tipo de proceso 1
α-amilasa agregada; incubada a 85-95ºC
Tipo de proceso 2
cocina de chorro 105-120ºC durante 2-7 minutos
tanque Flash a 90ºC; agregue α-amilasa durante 3 horas
Tipo de proceso 3
α-amilasa añadida
calentamiento/cocción por chorro a 150ºC
tanque Flash a 90ºC ; añadir más α-amilasa
La α-amilasa para licuefacción actúa sobre los enlaces glicosídicos α (1,4) internos para producir dextrinas y maltosa (dímeros de glucosa)., Existe un tipo de α-amilasa en la saliva de los seres humanos; Una α-amilasa diferente es utilizada por el páncreas. La figura 7.14 a muestra un tipo de α-amilasa. La α-amilasa trabaja un poco más rápido que la β-amilasa, y la β-amilasa trabaja en el segundo enlace glucosídico α (1,4) para que se forme maltosa (ver figura 7.14 b). La β-amilasa es parte del proceso de maduración de la fruta, lo que aumenta el dulzor de la fruta a medida que madura.
cómo llegar
Sacarificación
el siguiente paso en El proceso de fabricación del etanol es de sacarificación. La sacarificación es el proceso de hidrólisis posterior a los monómeros de glucosa. Se utiliza una enzima diferente, llamada glucoamilasa (también conocida por el nombre más largo amiloglucosidasa). Escinde los enlaces glucosídicos α (1,4) y α (1,6) de los extremos de la dextrina para formar glucosa., Las condiciones óptimas son diferentes de la etapa anterior y están a un pH de 4.5 y una temperatura de 55-65°C. La Figura 7.14 C muestra un esquema de la glucoamilasa, que también se llama ϒ-amilasa. Hay una amplia variedad de enzimas amilasa disponibles que se derivan de bacterias y hongos. La tabla 7.2 muestra diferentes enzimas, su fuente y la acción de cada una.
| Enzyme | Source | Action |
|---|---|---|
| α-amilasa | Bacillus amyloliquefaciens | solo los enlaces de α-1,4-oligosacáridos se dividen para dar a-dextrinas y predominantemente maltosa (G2), G3, G6 y g7 oligosacáridos |
| B., licheniformis | Sólo α-1,4-oligosacáridos enlaces se escinde para dar un-dextrina y predominantemente maltosa, G3, G4, G5 oligosacáridos | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | Sólo α-1,4 oligosacárido enlaces se escinde para dar un-dextrina y predominantemente maltosa y G3 oligosacáridos | |
| Saccharifying a-amilasa | B., subtilis (amylosacchariticus) | Sólo α-1,4-oligosacáridos enlaces se escinde para dar un-dextrina con maltosa, G3, G4 y hasta el 50% (w/w) de glucosa |
| la beta-Amilasa | cebada Malteada | Sólo α-1,4-los enlaces se escinde, de la no-reducción extremos, para dar el límite de dextrinas y maltosa |
| Glucoamilasa | A. niger | α-1,4 y α-1,6-los enlaces se escinde, de la nonreducing extremos, para dar β-glucosa |
| Pululanasa | B., acidopullulyticus | solo los enlaces α-1,6 se rompen para dar maltodextrinas de cadena recta |
algunas de las enzimas más nuevas desarrolladas (enzimas hidrolizadoras de almidón granular-GSHE) permiten saltarse la etapa de licuefacción hidrolizando el almidón a bajas temperaturas con cocinando. Las ventajas incluyen: 1) Reducción de calor / energía, 2) operación de unidad reducida (reducción de costos de capital y operación), 3) Reducción de emisiones y 4) DDGS más altos. Funcionan mediante «extracción de núcleos» en gránulos de almidón directamente sin la hinchazón/infusión de agua., Las desventajas incluyen: 1) Las enzimas cuestan más y 2) riesgos de contaminación.
fermentación
El Paso químico final en la producción de etanol a partir del almidón es la fermentación. La reacción química de la fermentación es donde 1 mol de glucosa produce 2 moles de etanol y 2 moles de dióxido de carbono. La reacción se muestra en la ecuación 2 a continuación:
C 6 H 12 o 6 →2 C 2 H 6 OH + 2 CO 2
para hacer que la fermentación tenga lugar, se agrega levadura. Una levadura común a utilizar es saccharomyces cerevisiae, que es un hongo unicelular. La reacción tiene lugar a 30-32°C durante 2-3 días en un proceso por lotes., El nitrógeno suplementario se añade como sulfato de amonio ((NH4)2SO4) o urea. Una proteasa se puede utilizar para convertir proteínas en aminoácidos para agregar como un nutriente de levadura adicional. La virginiamicina y la penicilina se usan a menudo para prevenir la contaminación bacteriana. El dióxido de carbono producido también reduce el pH, lo que puede reducir el riesgo de contaminación. Cerca del 90-95% de la glucosa se convierte en etanol.
es posible hacer sacarificación y fermentación en un solo paso. Se llama sacarificación y fermentación simultáneas (SSF), y tanto la glucoamilasa como la levadura se agregan juntas., Se realiza a una temperatura más baja que la sacarificación (32-35°C), que ralentiza la hidrólisis en glucosa. A medida que se forma la glucosa, se fermenta, lo que reduce la inhibición del producto enzimático. Reduce las concentraciones iniciales de glucosa, reduce el riesgo de contaminación, reduce los requisitos de energía y produce mayores rendimientos de etanol. Debido a que SSF se realiza en una unidad, puede mejorar los costos de capital y ahorrar tiempo de residencia.
destilación y aumento de la concentración de etanol
La última fase de la producción de etanol es el procesamiento de etanol para aumentar la concentración de etanol., Aguas abajo de los fermentadores, la concentración de etanol es de 12-15% de etanol en agua (lo que significa que tiene 85-88% de agua en su solución!). La destilación se mencionó en una lección anterior; el petróleo crudo debe destilarse en varias fracciones de ebullición para separar el aceite en productos utilizables. La destilación es un proceso para separar componentes usando calor y torres especialmente diseñadas para mantener el líquido fluyendo hacia abajo y los vapores que se generan fluyen hacia arriba. El agua hierve a 100°C, mientras que el etanol hierve a 78°C., Sin embargo, debido a que el agua y el etanol se evaporan a una temperatura más baja que sus puntos de ebullición, y debido a que ambos tienen grupos funcionales OH que se atraen entre sí, las moléculas de etanol y agua están fuertemente unidas entre sí y forman un azeótropo juntas. Eso solo significa que no puede separar completamente el etanol del agua: la fracción de etanol contendrá aproximadamente 5% de agua y 95% de etanol cuando llegue al final del proceso de destilación. La figura 7.15 muestra un esquema de una unidad de destilación., No quieres agua en la gasolina mientras conduces, porque impide una combustión eficiente. ¿Quieres agua en tu etanol si lo usas como combustible?
La respuesta es no, por lo que debe utilizar un método adicional para eliminar toda el agua del etanol. El método se llama deshidratación. La unidad que se utiliza se llama tamiz molecular, y el material utilizado en ella se llama zeolita., Bajo estas condiciones, la zeolita absorbe el agua en ella, pero el etanol no entrará en la zeolita. Utilizan lo que se llama una unidad de adsorción de oscilación de presión. La unidad está diseñada para funcionar en dos modos. A alta presión, el etanol se deshidrata en la Unidad 1, y a baja presión, el etanol anhidro se alimenta para eliminar el agua de la unidad 2 (Figura 7.16 a). Cuando el tamiz de zeolita ha absorbido toda el agua, la Unidad 1 se cambia para convertirse en el lecho de regeneración de baja presión, y la unidad 2 se convierte en la unidad de alta presión (figura 7.16 b). El tiempo de residencia para el proceso es de 3-10 minutos., La zeolita para este proceso es un aluminosilicato altamente ordenado con tamaños de poros bien definidos que se forman en perlas o se incluyen en una membrana. Las zeolitas atraen tanto el agua como el etanol, pero los tamaños de poro son demasiado pequeños para permitir que el etanol entre. Como se observa en la figura 7.17, el tamaño del poro de la membrana de zeolita es de 0,30 nm, mientras que el tamaño de la molécula de agua es de 0,28 nm y el etanol de 0,44 nm. Dependiendo del tipo de unidad, la membrana o las perlas se pueden regenerar utilizando calor y vacío, o haciendo fluir el etanol puro a través de la unidad, así como se describe anteriormente.,
el diagrama muestra el 95% de vapor EtOH de la destilación que va a la Unidad 1: una cama deshidratadora de alta presión. De ese 60-85%, EtOH va al producto final, mientras que el 15-40% del EtOH entra en la unidad 2, un lecho regenerador de vacío de baja presión. Fuera de esto, el Vapor EtOH húmedo vuelve a la destilación.,
así que una vez que hemos fermentado el material a etanol, pasa por una serie de procesos para obtener los productos en la forma que los queremos. Gráfico 7,18a es un esquema de la recuperación del producto, y la figura 7.18 B muestra las definiciones de parte de la terminología.
diagrama de recuperación de productos de etanol y otros productos. A partir de la fermentación, se recupera CO2 junto con la cerveza: 12-13% de etanol. A partir de ahí se produce la destilación. Esto recupera el etanol del 95% que pasa a través de un tamiz molecular para convertirse en etanol del 100% y entra en el almacenamiento desnaturalizado del etanol con la gasolina., De la destilación también se recupera el alambique entero. Esto entra en la separación / centrifugación y produce un alambique delgado y WDG. El alambique fino se recicla o entra en el evaporador y se convierte en jarabe. El WDG y el jarabe se combinan para convertirse en WDGS. El WDGS entra en seco y se convierte en DDGS.
la imagen define la terminología.,
El Alambique entero (líquido residual de la destilación) va a la centrifugadora o a las prensas de filtro.
El Alambique Delgado (líquido de la centrífuga) se recicla o se evapora para hacer
jarabe (solubles) que se agregan a
WDG (granos destiladores húmedos) que luego se secan para hacer
DDGS (Granos Secos destiladores con Solubles)
para resumir, el maíz tiene 62% de almidón, 19% de proteína, 4% de aceite y 15% de agua., Si miras los productos en base seca (no miras el agua como un producto), el 73% del maíz es almidón y el 27% es proteína, fibra y aceite. Por cada bushel de maíz, de manera realista generará 2.8 galones de etanol, ~17 libras de CO2 y ~17 libras de DDGS. Veremos la economía de este proceso y un par de otros procesos en una lección posterior.
así que, en este punto, se puede ver cómo generar etanol a partir de maíz., Si desea generar etanol a partir de celulosa en las plantas, tiene la información de la Lección 6 para generar glucosa a partir de celulosa (es un proceso más complicado), pero una vez que tenga glucosa, puede usar los mismos pasos finales en la producción de etanol a partir de la fermentación de glucosa. En la siguiente sección, veremos la producción de otro alcohol, butanol.